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设计模式之单例模式


单例模式

定义

《Head First》

The Singleton Pattern ensure a class has only one instance, and provides a global point of access to it.

确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点

属于创建型模式,提供了一种创建对象的最佳方式,涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建,这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

注意

  • 单例类只能有一个实例
  • 单例类必须自己创建自己的唯一实例
  • 单例类必须给所有其他对象提供这个一实例
  • getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

使用场景

  • 当您想控制实例数目,节省系统资源的时候。

结构

  • Singleton:单例

类图

实际案例

  • 一个班级只有一个班主任
  • Windows 是多进程多线程的,在操作一个文件的时候,就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象,所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行
  • 打印池在操作系统中,打印池Print Soo是)一个用于管理打印任务的应用程序,通过打印他用户可以删除、中止或者改变打印任务的优先级,在一 一个系统中只允许运行一个打印池对象, 如果重复创建打印池则抛出异常。

例子

实例以上述打印池为例

类图

代码实现

public class PrintSpooler {

    private static PrintSpooler printspooler=null;

    public PrintSpooler() {
    }

    public void setPrintSpooler() {       
    }

    public static PrintSpooler getPrintSpooler() throws PrintSpoolerException {
        if (printspooler==null) {
            System.out.println("新建了一个打印池");
            printspooler=new PrintSpooler();
        }
        else {
            throw new PrintSpoolerException("正在打印");
        }
        return printspooler;
    }

    public void delete() {
      System.out.println("刪除");
    }

    public void abort() {
     System.out.println("中止");
    }

    public void change() {
     System.out.println("修改");
    }
}


public class PrintSpoolerException extends Exception {

    public PrintSpoolerException(String erro) {
          super(erro);
    }
}

测试

public class Client {
   public static void main(String[] args) {
       PrintSpooler p1,p2;
       try {
        p1=PrintSpooler.getPrintSpooler();
    } catch (PrintSpoolerException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        System.out.println(e.getMessage());
        e.printStackTrace();
    }
       System.out.println();

       try {
        p2=PrintSpooler.getPrintSpooler();
    } catch (PrintSpoolerException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        System.out.println(e.getMessage());
        //e.printStackTrace();
    }
       finally {
        System.out.println("警告,重复创建");
    }
}
}

输出

新建了一个打印池

正在打印
警告,重复创建

创建方式

懒汉式,线程不安全

懒汉式其实是一种比较形象的称谓。既然懒,那么在创建对象实例的时候就不着急。会一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建,懒人嘛,总是推脱不开的时候才会真正去执行工作,因此在装载对象的时候不创建对象实例。

下方代码简单明了,而且使用了懒加载模式,但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候,就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance() {
     if (instance == null) {
         instance = new Singleton();
     }
     return instance;
    }
}

懒汉式,线程安全

为了解决上面的问题,最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步(synchronized)。

下方代码虽然做到了线程安全,并且解决了多实例的问题,但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要,即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。

public static synchronized Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
}

双重检验锁

双重检验锁模式(double checked locking pattern),是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁,因为会有两次检查 instance == null,一次是在同步块外,一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次?因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if,如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

public static Singleton getSingleton() {
    if (instance == null) {                         //Single Checked
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {                 //Double Checked
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance ;
}

JVM流程

  1. 给 instance 分配内存
  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  3. 将instance对象指向分配的内存空间(执行完这步 instance 就为非 null 了)。

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的,最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者,则在 3 执行完毕、2 未执行之前,被线程二抢占了,这时 instance 已经是非 null 了(但却没有初始化),所以线程二会直接返回 instance,然后使用,然后顺理成章地报错。

将 instance 变量声明成 volatile 就可可以了

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
    private Singleton (){}

    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {       
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

使用 volatile 的主要原因是其另一个特性:禁止指令重排序优化。也就是说,在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。

饿汉式 static final field

饿汉式其实是一种比较形象的称谓。既然饿,那么在创建对象实例的时候就比较着急,饿了嘛,于是在装载类的时候就创建对象实例。这种方法非常简单,因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了,在第一次加载类到内存中时就会初始化,所以创建实例本身是线程安全的。

缺点是它不是一种懒加载模式(lazy initialization),单例会在加载类后一开始就被初始化,即使客户端没有调用 getInstance()方法。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

静态内部类 static nested class

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE; 
    }  
}

枚举 Enum

可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例,这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的,所以不需要担心double checked locking,而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

总结

一般来说,单例模式有五种写法:懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。一般情况下直接使用饿汉式就好了,如果明确要求要懒加载(lazy initialization)倾向于使用静态内部类。如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

优点

  • 在内存里只有一个实例,减少了内存的开销,尤其是频繁的创建和销毁实例(比如管理学院首页页面缓存)
  • 避免对资源的多重占用(比如写文件操作)

缺点

  • 没有接口,不能继承,与单一职责原则冲突,一个类应该只关心内部逻辑,而不关心外面怎么样来实例化

文章作者: HaiLin Zhou
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